蒲公英全身都是宝，可以是餐桌上可口的野菜，也可以是清热解毒的草药。近年来，蒲公英种子独特的飞行方式让它在科研圈声名鹊起。蒲公英分布十分广泛，全球的温带地区都能见到它的身影，这离不开种子的超强传播能力。野外的蒲公英隐匿在繁茂的灌木丛中，顶着一朵小黄花，常常被人忽视。花落后会长出白色的绒球，由大量伞状的毛束构成，这里面装着蒲公英的种子，它们随风摇动，在温暖干燥的空气中甚至能飞到一公里开外的地方。伞状的毛束像一个个降落伞，可以根据环境湿度调整开合状态。

蒲公英通过吸收和释放水分控制运动路径，爱丁堡大学生物科学学院Naomi Nakayama等人通过研究蒲公英种子上顶端板的组成部分及各部分的几何结构、化学组成，明确了冠毛(pappus)打开和关闭的机制。揭示了为什么蒲公英在干燥环境下就会随风飘扬，而在潮湿环境下，则选择制动降落。研究内容以Dandelion pappus morphing is actuated by radially patterned material swelling为题发表在Nature Communications上。

【Pappus的变形过程】

为了明确蒲公英冠毛可逆闭合的机制和动力学过程，研究人员在定制的水合室中观察蒲公英，如下图所示，它们发现冠毛闭合的程度取决于腔室中的水分含量。而冠毛的闭合并非源于毛束本身的弯曲，它很大程度上取决于毛束下侧的中央制动器。冠毛下方的顶端板(apical plate)在这一过程中扮演着相当重要的角色，可以将顶端板看做是受湿度影响的制动器。

图1 冠毛在不同条件下的闭合状况(a-f)及蒲公英的结构示意图(g,h)

蒲公英冠毛吸湿闭合

【顶端板的结构】

顶端板由皮层和表皮细胞组成，其微观结构如下图所示，在干燥状态下，大多数细胞呈现出塌陷状并紧密地聚集在一起。致动器在加水后2分钟内沿径向快速膨胀，但径向膨胀并不均匀，膨胀最大处的距离增加约40%，膨胀最小处距离仅扩大了约10%。相较而言，纵向膨胀则更为均匀。这些结果表明，加水后的顶端板以异质方式进行膨胀。此外，顶端板中的花裙板组织比下皮质组织更不容易膨胀，这是因为它们由不同的材料构成。顶端板中的其他区域也由不同成分的细胞壁组成，除了常见的木质素以外，研究人员在靠近冠毛附着部位的皮层上侧发现了一个富含脂质的区域。研究表明，顶端板致动器的结构较复杂，至少由四个具有不同细胞壁的结构域组成：花裙座，脉管系统，富含脂质的侧面和皮层细胞。

图2. 顶端板的SEM图像(a-d)，光学显微镜(e,f)图像，加水后径向膨胀(g,h)和纵向膨胀(i,j)

顶端板的水合过程

【顶端板的驱动特性】

冠毛的闭合源于不同组织区域差异化的吸水性或膨胀特性。这些组织的形状和排列则也有可能影响冠毛角度的变化。为了进一步了解不同组件的协同工作机制，研究人员采用有限元方法构建了冠毛制动器的简化力学模型。把制动器看做是一个二维的，各向同性的线性弹性系统，其主要特征在于吸水膨胀、失水收缩。每个区域被赋予弹性特性和本征膨胀特性，通过模型可以很好地预测Pappus制动器的行为。结果表明，顶端板固有的膨胀特性和各个部位的尺寸对执行器功能的实现十分重要，提升皮层及侧面的膨胀能力使保持角θ增加，而脉管(vasculature)和花裙座(floral podium)所起到的作用则刚好相反，提升它们的膨胀能力会降低保持角。而每个区域的材料特性也会影响制动器的性能，若将每个区域都换成类脂质的材料，会导致保持角下降。总的来说，为了使吸湿性顶端板发挥最大的制动性能，需要保证花裙座和脉管系统不轻易膨胀，而皮层容易膨胀。

图3. 顶端板的几何形状和力学建模

【结论】

文章系统研究了蒲公英顶端板的吸湿致动性，发现冠毛的开合源于制动器吸水后的差异化径向膨胀，本质则源于顶端板不同区域细胞壁材料的差异。每个部分的细胞壁具有不同的水分依赖性，通过水分驱动蒲公英毛束的运动。蒲公英顶端板可以简化成膨胀区域与低膨胀或不膨胀区域相连的双层结构，但它与能弯曲/折叠的平面/圆柱形双层致动器不同，后者已经在仿生机器人中得到了很好地应用。管状致动器在生命系统中十分常见，是仿生软机器人的下一个前沿领域。文中有关顶端板结构和性能的研究有望启迪科研人员在微尺度或更小尺度上制造新型功能材料并应用于新兴的软机器人领域。

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来源：高分子科学前沿

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